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antriebstechnik 11/2016

antriebstechnik 11/2016

Beanspruchungsminimierung in Raupenfahrwerksgetrieben 01 Raupenfahrwerk (einzelnes Fahrschiff) H. Graneß, B. Schlecht, L. Ramm Raupenfahrwerke dienen der Mobilisierung von Arbeitsmaschinen im unwegsamen Gelände bei gleichzeitig hoher Vortriebskraft. Jedoch wohnt den Raupenfahrzeugen eine erhebliche Fahrunruhe inne, wobei die daraus resultierenden zeitvarianten Lasten alle Maschinenkomponenten – insbesondere die Fahrwerksgetriebe – schädigen. Im Beitrag werden diesbezüglich Schwingungsregulierungsmaßnahmen vorgestellt, welche die Beanspruchungen reduzieren und somit die Lebensdauer aller Gerätekomponenten erhöhen sollen. Dipl.-Ing. Henry Graneß ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion an der Technischen Universität Dresden Prof. Dr.-Ing. Berthold Schlecht ist Lehrstuhlinhaber am Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion an der Technischen Universität Dresden Lasse Ramm ist Student Maschinenbau in der Fakultät Maschinenwesen an der Technischen Universität Dresden Bei Raupenfahrwerken wird das allgemeingültige Prinzip verfolgt, dass über die Aneinanderreihung von Laufflächengliedern, welche mit Scharniergelenken zu einer Kette verbunden sind, unterhalb des Fahrzeuges eine fahrzeugeigene Fahrstrecke entsteht (Abbildung 01). Die zur Fortbewegung notwendige Triebkraft wird vom Fahrwerksantrieb zur Verfügung gestellt und über eine formund reibschlüssige Verbindung vom Antriebsturas auf die Raupenkette geleitet. Bleibt dabei der Reibschluss zwischen den Laufflächen der Raupenkettenglieder und dem Fahrplanum bestehen, übersetzt sich die Rotationsbewegung des Antriebsturas in einen translatorischen Vorschub des Fahrwerkes. Das am Gelenk des Fahrwerkträgers angeschlossene Gerät wird dabei mitgeführt und somit mobilisiert, [SG16]. Problemstellung Unabhängig von der Anzahl der an einem Gerät angebrachten Fahrwerke wohnt einer mit Raupenfahrwerken mobilisierten Maschine stets eine Fahrunruhe inne, welche primär von der diskreten Unterteilung des Raupenbandes in Laufflächenglieder herrührt. Während des Fahrprozesses überlagern sich dabei den statischen Nominallasten dynamische Lasten, welche unter anderem aus dem Turas-Polygoneffekt, dem Gleitkreisgleiten, dem Schakenklappen, dem Umlenken der Kette an den Kettentragrollen und dem Überrollen der Laufflächenübergänge durch die Laufrollen resultieren. Im Folgenden werden ausgewählte fahrdynamische Effekte, deren Verständnis für die spätere Erarbeitung und Bewertung von Schwingungsregulierungsmaßnahmen erforderlich ist, näher erläutert. Turas-Polygoneffekt Bei dem Turas-Polygoneffekt ändert sich fortwährend der wirksame Radius zwischen dem Mittelpunkt des Antriebsturas und dem Raupenband, da sich, der endlichen Länge der Kettenglieder geschuldet, die Kette einzig in Form eines Polygons um den Turas legen kann. Mit der Änderung des Radius geht eine ständige 140 antriebstechnik 11/2016

GETRIEBETECHNIK 02 Turas-Polygoneffekt nach [SG16] a b 03 Einlaufverhältnisse der Kette beim Schakenklappen nach [SG16] Schwingungsanregung einher, was in Bild 02 anhand der Geschwindigkeitskomponenten des Gelenkpunktes p dargestellt ist (der Gelenkpunkt p wird stets als aktueller Kontaktpunkt am Turas angenommen und kontinuierlich aktualisiert). Die Intensität der Anregung hängt primär von der Anzahl der Turasnocken und somit vom Verhältnis von Kettengliedlänge zu Turasradius ab. Ferner kann, unter Berücksichtigung weiterer fahrdynamischer Effekte, auch die Phasenlage des Polygoneffektes die dynamische Belastung der Kette beeinflussen, [DH09, S. 122], [Dre06, S. 270 ff.], [Fis13, S. 15], [FJ69, S. 15 f.], [Sch10, S. 1153 ff.], [SG16]. Schakenklappen Beim Schakenklappen liegt eine komplexe Wechselwirkung zwischen dem Turas, dem Untertrum des Raupenbandes und der ersten respektive letzten Laufrolle vor. Dabei wird, der diskreten Unterteilung des Raupenbandes in Kettenglieder endlicher Länge geschuldet, das tangentiale Anlegen der Raupenkette an Turas und Laufrolle (Bild 03a)) verhindert. Ursächlich hierfür ist, dass das Kettenglied BP3, welches sich unterhalb der Laufrolle befindet, von deren Auflast auf das Fahrplanum gedrückt wird, wobei gleichzeitig der vertikale Anteil der Kettenzugkraft nicht ausreicht, die Bodenplatte anzuheben. Durch diesen außertangentialen Ketteneinlauf ist der Ketteneinlaufwinkel α ASK nicht konstant, sondern hängt von der aktuellen Vorschubposition des Fahrschiffes respektive vom Abstand des Turasses zum Kettenglied BP3 ab (Bild 03b)). Dies bedingt, dass der horizontale und vertikale Anteil der Kettenzugkraft ebenso von der Relativlage von Turas zu Kettenglied BP3 abhängt, sodass die Vorschubkraft mit dem Ketteneinlaufwinkel variiert und somit die Fahrunruhe gefördert wird. Entsprechend ist, zur Aufrechterhaltung einer konstanten Fahrgeschwindigkeit, das Turasdrehmoment zu erhöhen. Dieser Zustand bleibt so lange aufrecht erhalten, bis das vom vertikalen Kettenzugkraftanteil hervorgerufene Drehmoment am Kettenglied ausreicht, um dieses anzuheben. Das Kettenglied klappt nach oben und mit dem sich hierbei ändernden Ketteneinlaufwinkel ändern sich gleichzeitig die horizontalen und vertikalen Kettenzugkraftanteile und der gesamte Vorgang wiederholt sich mit dem nachfolgenden Kettenglied, [Kra90], [Fis, S. 15 f.], [Han90, S. 36 ff. & S. 66 ff.], [Hen88, S. 31], [Sol88], [SG16]. Überfahren der Laufflächenübergänge Während des Fahrprozesses überfahren die Laufräder in periodischen Abständen die Verbindungsbereiche zwischen den Schaken des Raupenbandes. Zur Gewährleistung der Scharnierbarkeit der Kettenglieder untereinander ist in diesem Bereich die Laufbahn unterbrochen, sodass die Laufräder eine Senke durchfahren, [Hen88, S. 21 f.], (Bild 04a)). Folglich erfährt das Fahrwerk in Abhängigkeit der Teilung der Laufflächenglieder und der Laufrollenverteilung eine periodische Be- und Entschleunigung infolge des variierenden Fahrwiderstandes. Verschleißbedingt weiten sich die Augen der Schakenverbindungen auf, sodass sich die Kettenteilung kontinuierlich ändert. Dies bedingt, dass, bei gleichbleibender Laufradteilung, sich die durchschnittliche Anzahl der gleichzeitig in ein Schakental einlaufenden Laufräder im Betrieb ändert und somit das Be- und Entschleunigungsverhalten des gesamten Fahrschiffes vom Verschleißzustand abhängt (Bild 4b)). Umlenken der Kettenglieder an den Tragrollen Die Kette wird im Obertrum von den Tragrollen geführt und übt dabei eine Last, resultierend aus dem Ketteneigengewicht und der Kettenzugkraft, auf diese aus. Während des Umlenkens der Kettenglieder ändert sich in Abhängigkeit der Relativlage zwischen Glied und Kettentragrolle die Orientierung des gemeinsamen Kontaktkraftvektors, sodass die Kettenzugkraft einer periodischen Schwankung unterliegt. Insbesondere bei der Fahrt mir gezogenem Obertrum kann dies zu erheblichen Absolutwerten der Lastschwankung führen, da in diesem Betriebsfall die nominelle Kettenzugkraft im Obertrum und somit die Kontaktkraft zwischen Kettenglied und Tragrolle am größten ist. antriebstechnik 11/2016 141

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